Scienziati dell'Università della California, Los Angeles (UCLA) e Solargiga Energy in Cina hanno scoperto che la caffeina può contribuire a rendere più efficiente un'alternativa promettente alle tradizionali celle solari nel convertire la luce in elettricità. La loro ricerca, pubblicato il 25 aprile sulla rivista Joule , potrebbe consentire a questa tecnologia di energia rinnovabile economicamente vantaggiosa di competere sul mercato con le celle solari al silicio.

L'idea è nata come uno scherzo davanti al caffè mattutino. "Un giorno, mentre discutevamo di celle solari in perovskite, il nostro collega Rui Wang ha detto, 'Se abbiamo bisogno del caffè per aumentare la nostra energia, allora che dire delle perovskiti? Avrebbero bisogno del caffè per funzionare meglio?'", ricorda Jingjing Xue, un dottorato di ricerca candidato nel gruppo di ricerca del Professor Yang Yang presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UCLA.

Il commento estemporaneo ha portato il team a ricordare che la caffeina nel caffè è un composto alcaloide contenente strutture molecolari che potrebbero interagire con i precursori dei materiali perovskite, composti con una particolare struttura cristallina che formano lo strato di raccolta della luce in una classe di celle solari. I precedenti tentativi di migliorare la stabilità termica di queste celle solari hanno incluso il miglioramento dello strato di perovskite introducendo composti come il dimetilsolfossido, ma i ricercatori hanno lottato per aumentare l'efficienza e la stabilità a lungo termine delle cellule. Nessuno aveva provato la caffeina.

Rendendosi conto che potrebbero essere su qualcosa, la squadra mise da parte il caffè e iniziò a indagare ulteriormente. Hanno aggiunto caffeina allo strato di perovskite di quaranta celle solari e hanno usato la spettroscopia a infrarossi (che utilizza la radiazione infrarossa per identificare i composti chimici) per determinare che la caffeina si fosse legata con successo al materiale.

Condurre ulteriori test di spettroscopia a infrarossi, hanno osservato che i gruppi carbonilici (un atomo di carbonio legato a doppio a un ossigeno) nella caffeina interagivano con gli ioni di piombo nello strato per creare un "blocco molecolare". Questa interazione ha aumentato la quantità minima di energia richiesta per far reagire il film di perovskite, aumentando l'efficienza delle celle solari dal 17% a oltre il 20%. Il blocco molecolare ha continuato a verificarsi quando il materiale è stato riscaldato, che potrebbe aiutare a impedire al calore di abbattere lo strato.

"Siamo rimasti sorpresi dai risultati, "dice Wang, che è anche un Ph.D. candidato nel gruppo di ricerca di Yang all'UCLA. "Durante il nostro primo tentativo di incorporare la caffeina, le nostre celle solari in perovskite hanno già raggiunto quasi la massima efficienza che abbiamo raggiunto nella carta".

Ma mentre la caffeina sembra migliorare significativamente le prestazioni delle cellule che utilizzano la perovskite per assorbire la luce solare, i ricercatori non pensano che sarà utile per altri tipi di celle solari. L'esclusiva struttura molecolare della caffeina le consente di interagire solo con i precursori della perovskite, che può dare a questa varietà di celle solari un vantaggio sul mercato. Le celle solari in perovskite hanno già il vantaggio di essere più economiche e più flessibili delle loro controparti in silicio. Sono anche più facili da produrre:le celle di perovskite possono essere fabbricate da precursori a base di soluzione anziché da lingotti di cristallo solido. Con ulteriori ricerche, Wang crede che la caffeina possa facilitare la produzione su larga scala di celle solari perovskite.

"La caffeina può aiutare la perovskite a raggiungere un'elevata cristallinità, difetti bassi, e buona stabilità, " dice. "Ciò significa che può potenzialmente svolgere un ruolo nella produzione scalabile di celle solari perovskite".

Per continuare a migliorare l'efficienza e la stabilità delle celle solari, il team prevede poi di indagare ulteriormente sulla struttura chimica del materiale perovskite contenente caffeina e di identificare i migliori materiali protettivi per le perovskiti.